CN1212900A - 动态气筒充气法 - Google Patents

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Abstract

具有选定组成的混合气充气系统,包括:气体管道,其入口与各具流量调控装置的各组分供气管道相连,出口与充气系统相连,并配有气体分析仪,累计气体流量测定装置和位于分析仪上游的气体混合装置;控制器,接收来自流量测定装置和分析仪的信号并向各流量调节装置发送信号。定量充装混合气的方法,包括累计流经管道的气体量,定时分析混合气,定时向系统控制器发送累计流量和分析信号,定时向流量调节装置发送调节信号,以减少实际组成与要求组成的差异。

Description

动态气筒充气法
本发明涉及气体储器的充气方法，更具体的说，涉及让两种或两种以上气体同时引入气体储器来将具有特定组成的气体混合物充入气体储器的方法。
运往各地的气体通常被装在耐高压且便于运输的各种形状和大小的便携式容器中。其中较为典型的是通常被称为气筒或气瓶的圆柱形容器。这种容器的充装通常是通过向其中装入气体直至达到要求的压力。当只需要向气筒中装入一种气体时，这种方法比较简单而且没有问题。但是，当需要在气体容器中装入高压的混合气体时，就较难准确地测定出气体混合物中各种成份的含量。在需要充入高压混合气时，在气体容器中充装混合气尤其成问题，因为在这种条件下，真实气体并不遵循理想气体定理，实际上，各种真实气体在高压下的表现是各不相同的。
充装高压二元气体混合物通常是通过先在容器中充入一种气体直至设定的压力，然后再装入另一种气体直至达到最终压力。设定的压力对应于要求的混合气中第一成份的分压。但是，由于气体在不同压力下的表现是不一样的，所以很难或者不可能准确地生成所要求的混合气。
如果容器内要充以一种成份的浓度很高，例如体积浓度达75％或以上，而另一种或其它各成份含量很少，例如各次要成份的体积浓度为10％或以下，的混合气时，问题就更复杂。此时，压力表本身的不准确性使误差随着某成份要求浓度的减小而放大。用包含一种主要成份和一种次要成份的混合气充装气筒的一种常规方法是先用低压压力表在气筒内充入次要成份，然后用高压压力表在气筒内引入主要成份直至达到最终压力。由于压力表读数的精确度通常在满刻度的0.1％之内，所以使用此方法的误差将较小。该方法的不便之处在于为了测定混合气的各成份需要使用不同的压力表。而且，如果次要成份比主要成份重，在很长的时间内，首先充入的次要成份将单独沉积在气筒底部。
以上充气方法的主要缺点是必需分步骤向储器中充入不同的成份，即每次充装一种气体。
人们已经对在储器中准确充装混合气的方法和系统进行了大量的研究。美国专利3,653,414公开了一种用于在恒温器中充装由可凝聚的介质和不可凝聚的气体组成的混合物的系统和方法。首先在恒温器的传感器内引入设定压力的不可凝聚气体，设定压力利用第一压力表来测定。然后在传感器中引入一定量的可凝聚介质，该量通过用第二压力表测得的压力差来确定。
美国专利3,669,134公开了一种测定气体的方法，其中，利用彼此连通的压力调节器将两种气体装入不同的气室，由此使得气体的压力达到设定的比例。该专利中的装置和方法十分复杂而且难以实施，尤其是在要形成三种或更多气体的混合物时。
美国专利3,856,033和3,948,281公开了在气体容器中充装混合气的方法，它是通过连续地在低压下混合气体，然后将气体混合物加压，再对高压混合物进行红外线分析来测定混合气中各成份的浓度。如果高压混合物的组成不合要求，则对进入低压混合区的各成份的相对流速进行调整，由此减小与要求组成的差异。
美国专利4,219,038公开了一种混合多种气体的混合装置，其中每种气体通过各具压力调节器的一根管路流入。在所述发明的实施例之一中，各种气体被保存在容器组中。
美国专利4,688,946公开了一种将液体有机化合物与液体推进剂混合的方法，它先将液体有机化合物加入量筒，然后将液体有机化合物与设定体积的液体推进剂一起压入混合容器中。
美国专利4,698,160公开了一种用于血液透析的将两种液体混合的装置。注射型活塞泵被用来测量和将一种或多种混合物组分压入混合器中。
美国专利5,353,848公开了一种准确测定进入气筒的气体混合物、同时避免气体分层的方法，它是通过使用一个差示压力表(differential pressure guage)将各气体按其分子量顺序引入气筒。
美国专利5,427,160公开了一种将氧化气体和可燃气装入储器的方法，其中对各气体分别使用各自的测量气室。系统管路中的残留气体被从系统中驱出。
由于提供混合成份组成准确的包装混合气的重要性，以及迅速令储器内混合气达到均匀的要求，人们仍然需要更好的气体储器充气方法。本发明提供了可达到以上目的的方法和系统。本发明的其它优点还在于因允许所要求的混合气内不同气体组分同时进入气体储器而缩短了充气时间。
根据一一般实施方式，本发明包括一种通过管道装置输送具有特定组成的定量混合气的方法，其步骤包括：
(a)形成由两种或多种气体均匀混合而成、通过管道装置某设定点的气流；
(b)定时测定通过该设定点的混合气的流速；
(c)定时测定通过该设定点时混合气中各气体的即时浓度，即取样时的浓度；
(d)利用步骤(b)和(c)获得的数据，定时测定已经通过设定点的累积气体的组成；
(e)定时调节混合气中至少一种气体流经管道装置的流速，通过所述的调节减小测得的已经通过设定点的累积混合气的组成与设定组成之间的差异。
最好，在到达管道内设定点之前，例如，靠通过一气体混合装置将混合气混合均匀。
较好的是，一般实施方式中的步骤(c)用一气体分析仪来实施。气体分析仪可以是，例如，红外分析仪或质谱仪。另外，较好的是，步骤(d)用累计流量计来实施。更好的是，气体分析仪和累计流量计向完成步骤(d)的测量的控制系统传递信号。最好的是，响应于步骤(d)的测量，控制系统使流量调节装置对进入管道的混合气中一种或多种气体的流量进行调节。
构成混合气的各气体通常通过各自的气路分别引入管道。较好的是，流量调节装置调节流经各气路的气体组分的流速。
在优选实施例之一中，所述的充气方法被用于通过管道以在一个或多个气体容器内充以混合气。另一优选内容是，所述的方法被用于通过管道以混合气同时充装两个或更多个气体容器。更好的是，经测定后的混合气流被用作送往化学反应的原料。
本发明的另一实施形式是一种向下游用途输送具有特定组成的定量混合气的系统。该系统包括：
(a)混合气管道，具有入口和出口，在入口和出口之间有累计气体体积测量装置和气体混合物分析装置；
(b)许多气体组分供气管，各自具有流量调节装置，并各自与混合气管道的入口相流通；
(c)用于测定累积混合气的组成的系统控制装置，所依据的是气流的增量测量值和累积测定值和对混合气的定时分析；
(d)响应于气体分析读数，将来自气体分析仪的信号传递至系统控制装置的装置；
(e)响应于气体体积测定值，将来自累计气体体积测量装置的信号传递至系统控制装置的装置；和
(f)响应于累积混合气的组成的测定值，将来自系统调控装置的流量调节信号传递至一个或多个流量调节装置的装置。
在本发明的优选实施例之一中，所述系统包括位于混合气分析装置上游的气体混合装置。
另一优选内容是，混合气分析装置是红外分析仪或质谱仪。其它优选内容是，流量调节装置是可调通孔、调速压缩机或是与阀门联用的固定通孔或与蒸发器联用的调速流体泵。
在优选实施例之一中，系统包括充装气体容器的装置。
图1所示的是根据本发明实施例之一以混合气充装气体容器的系统。
图2是利用实施例所述方法进行的气筒充气过程图。
本发明可以在要求以具有特定组成(目标组成)的均匀混合气将容器充装至特定压力时，用于充装气体容器之类的操作。
本发明的装置包括气体传送装置，例如管道；测量装置，所述的测量装置可以准确而连续地测定流经气体传送装置中设定点的气体流量，以便在任何时刻提供一个在操作过程中已经流过该设定点的气体的累计测定值；气体分析装置，它适合在操作的任何时刻快速而准确地测定当时流经设定点的气体组成；计算装置，它能够立即确定在操作过程中已经流过气体管道内设定点的气体整体的组成(根据气体测定值和流量测定值)；以及控制装置，用于在必要时调节流入气体传送装置的一种或多种气体的流速，以减少或消除算得气体组成与目标组成之间的差异。
总而言之，本发明的方法包括，先令各种气体组分各以一定的流速流入并通过气体传送装置，以形成近似要求组成的混合物。在气体混合和测量操作中，通过系统的混合气体流速和组成基本保持恒定，直至，例如，为了调节组成而改变混合气中一种或多种气体组分的流速而被改变。进入气体传送装置的气体组分被混合成组成均匀的混合气流。在设定的时间间隔，(1)当混合气通过气体传送系统内设定点时测定其流速，(2)当混合气通过该设定点时对其进行分析以测定流经的混合物中各组分当时的浓度。流速测量和混合气分析结果被用来确定在操作过程中已经流过设定点的气体整体的组成。如果已经通过设定点的累积混合气的各组分正以要求的比例流经气体传送装置，就无需调节任何气体组分的流量。但是，如果气体混合物的组成超过了可接受的组成限值，就有信号被反馈给一个或多个流量调节装置，这些调节装置与将各气体组分引入气体传送装置的气路相联，以便令流量调节装置向消除算得组成与目标组成之间差异的方向调节气体组分的流速。在充气操作的全过程中需频繁地进行分析和流速调节，从而将混合气的组成维持在窄的范围内。
图1显示了一套用于实施本发明的典型系统，所显示的是将所要求的混合气的3种成份混合的系统。该系统也可以用于制备两种气体的混合物，或者在稍加改进后用于制备四种或更多组分的混合气。该系统包括气体组分送气管2、4和6，各自具有流量调节装置8、10和12。流量调节装置可以是，例如，可调通孔、流量调节阀、调速压缩机、与阀门联用的固定通孔或与蒸发器联用的调速流体泵。
送气管2、4和6的下游端与装有气体混合装置M的混合气管道14连通。混合装置M可以是任何气体混合装置，例如为了确保将进入混合器的气体混合均匀而一般配置挡板的混合室。混合室M可有可无。有时，当各气体合并进入一根单独的管道时可能就会充分混合，此时就不再需要气体混合室。但重要的是，进入气体分析仪A的混合气必需具有均匀的组成，如此才能使分析仪的测定有意义。
气体取样管16在混合器M的下游。管16与气体分析仪A相连，该分析仪可以是任何气体分析仪，它测定当时流经管道14内设定点的混合气内各组分的浓度(“即时组分浓度”)。合用的气体分析仪中较典型的有红外分析仪、质谱仪和气相色谱仪。较好的是红外分析仪和质谱仪，因为它们能够对气体进行快速分析并提供有用的信息。红外混合气分析系统及其操作可参见前文提到及在此引用并参考的美国专利3,856,033和3,948,281。
与管道14相连的还有流量测量装置F，可以是任何连续测定流经某气体管路的气体流量并提供累计流量读数的装置。在实际装配时，取样管16和管道14内的设定点即测量装置F测定体积流量的位置靠得很近，以便令管道14在以上两点之间的体积小到可以在质量守恒计算中忽略不计。气体分析仪A和流量测量装置F分别通过数据线路18和20将气体分析和总气体流量信息传递给过程控制器C。
控制单元C最好是基于计算机的控制装置，它能够解释来自分析仪A和流量测量装置F的信号，并计算出已经流过管道14内设定点的气体总体积内各气体组分的浓度(“总组分浓度”)。控制单元C不断将各气体组分的总组分浓度与目标组成中该组分的规定浓度相比较，并在必要时向一个或多个流量调节装置8、10和12发出指令，令流量调节装置调节流经装置的气体组分的流量。
在分析仪A和流量测量装置F的下游，管道14与最终用途相连。在图中，最终用途之一是气筒充气站，它包括管路24、分路管16和阀门28、30和32，这些阀门控制着进入当时在站中等待充气的气筒34、36和38的气体流量。另一种最终用途可以是化学反应车间，它通过装有阀门42的管路40获得组成经仔细测定的混合气。
为了用图中的系统制备两种气体的混合物，通过打开管路2和4上的截止阀(未示出)在所述的管路中形成两种气体的气流。通过调节流量调节装置8和10的开启程度，将两种气体的流速设定成可形成组成接近要求的混合气。气体组分进入管道14，在此发生混合。如果通过在管道14内的简单混合就能够发生充分混合从而得到均匀的混合气，那就不再需要附加的混合装置。但是，如果另外需要混合，可令混合气通过混合器M之类的机械气体混合装置。重要的是，为了进行准确而可靠的气体分析，混合气必须被混合均匀。
分析仪A定时通过管16对流经管道14的混合气取样，并对每份样品就混合气的各组分进行即时组分浓度测定。在操作全过程中，流量测定装置F累计测定流经管14的气体流速。流量测量装置F可以位于管道14内的任意位置，因为它测定的是流经管道14的气体的总流量而不管气体是否混合均匀，但是，为了避免因通过管16从管道14内取出气体样品而造成的误差，它最好位于气体分析仪A的下游。
同样，混合气内各组分的总组分浓度通过定时地根据即时组分浓度计算而得，即等于完成操作的时间内混合气各气体组分的总流量除以完成操作的时间内混合气的总流量，其中完成操作的时间内混合气各气体组分的总流量是通过，将(1)一段时间间隔即取样间隔内的增量气体体积流量乘以该间隔内一次取样测得的即时组分浓度，并将此一系列乘积相加而得，其中时间间隔的总和就是完成操作的时间。如前所述，如果发现测定时的总组分浓度与测定时要求组成中该组分的规定浓度不同，就会向一个或多个流量调节装置发出信号，由此进行适当的调节以减小和消除被发现的差异。在操作的全过程内，该过程反复进行。较好的是，取样的间隔时间很短，因为，时间越短，对气体组分浓度的测定越准。
流经管道14的气体可以用来充装气体储器，例如图中所示的气筒组。此时，可以同时充装多个气筒，也可以各个气筒单独充装。较好的是多个气筒同时充装，因为，此时，每一批中的每个气筒都被以完全相同的气体组合物充装至相同的压力。作为另一种用途，混合气可以通过管路40和阀门42被送至位于下游的具有其它最终用途的反应器。这可以确保提供一定量的具有要求组成的混合气。
应该理解，本发明的范围包括用常规设备来监测和自动调节系统内各气体的流量，从而令系统自动、连续、有效运行。
以下实施例将进一步说明本发明，若非另作说明，其中的份数、百分比和比例都是以体积为基础的。实施例
用氩气/二氧化碳混合气充装一组14个气筒(每个可装15升水)，目标组成为90％氩气和10％二氧化碳。各组分利用带蒸发器的调速流体泵以2.5×107Pa(250bar)的压力送入。氩气流利用与氩气泵直接相连的常温蒸发器蒸发而成。二氧化碳蒸汽利用38℃(100°F)的加热蒸发器蒸发而成。蒸发后，用静态混合器将气体混合。混合后，立刻用红外分析仪测定某气筒充装汽流内的二氧化碳含量。充装气以25标准立方米/分钟的流速引入气筒。通过只改变二氧化碳泵的速度来校正样品气的浓度偏差。氩气泵被设定成恒速。每秒分析一次混合气样品。当二氧化碳浓度超过目标浓度10％时，减小二氧化碳泵的流速，当二氧化碳浓度低于10％时，将流速加大。在21℃(70°F)将气筒充装至1.82×107Pa(182bar)。
图2显示的是实验的结果。曲线A表示给定时刻的即时二氧化碳浓度测量值，曲线B表示各时刻算得的二氧化碳浓度。可以看出，在充装过程结束时，气筒内混合气的算得二氧化碳浓度是10.00％。对气筒中的气体样品另外进行的气相色谱分析显示，混合气内的实际二氧化碳浓度是10.05％。
虽然，以上参照具体的设备配置和具体的实验对本发明进行了说明，但这些特征只是对本发明的例举，其可变动之处是可想而知的。例如，可以如下由即时组分浓度算得混合气中各组分的总组分浓度，即将各次取样间隔内的增量气体体积流量与间隔内一次取样测得的即时组分浓度的乘积在完成操作总时间内的积分(a)除以完成操作总时间内混合气的总流量(b)。本发明的范围只受所附权利要求书的范围的限定。

Claims (18)

1．一种通过管道装置输送一定量的具有选定组成的混合气的方法，它包括以下步骤：
(a)形成由两种或更多种气体均匀混合而成的、通过所述管道装置内某设定点的气流；
(b)定时测定通过所述设定点的混合气的流速；
(c)定时测定通过所述设定点的所述混合气内各气体的即时浓度；
(d)利用步骤(b)和(c)得到的数据定时测定已经通过所述点的累积混合气的组成；和
(e)定时以减少测得组成与设定组成之间差异的方式调节所述的两种或更多种气体中至少一种气体流经所述管道的流速。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用气体分析仪来实施其中的步骤(c)。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于利用累计流量计来实施其中的步骤(d)。
4．根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的气体分析仪和所述的累计流量计向进行测定步骤(d)的控制系统发出信号。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的控制系统响应于所述测定步骤(d)使得流量调节装置调节进入所述管道装置的气体的流量。
6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的一种或多种气体是通过两路或更多路单独的气体管道装置引入前述的管道装置。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于其中的流量调控装置调节通过所述单独气体管道装置中一路或多路的气体流量。
8．根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的气体分析仪是红外分析仪或质谱仪。
9．根据权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括通过所述的管道装置以所述的混合气充装一个或多个气体容器的步骤。
10．根据权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括通过所述的管道装置以所述的混合气同时充装两个或多个气体容器的步骤。
11．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合气被用作原料送至化学反应。
12．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合气在混合气到达所述管道内设定点之前靠流过气体混合装置来混合均匀。
13．一种通过管道装置传送一定量的混合气的方法，混合气内各气体组分具有设定的浓度，它包括以下步骤：
(a)形成由两种或更多种气体均匀混合而成的、通过所述管道装置内某设定点的气流；
(b)通过定时测定通过所述设定点的混合气的流速，汇集成一系列流速测量值；
(c)在前述系列内每一流速有效的时间内测定通过所述设定点的所述混合气内各气体的浓度c，由此汇集成一系列气体组分浓度值；
(d)通过将流速f与各气体组分的浓度c的乘积相加，定时测算通过所述设定点的各气体组分的累积量；
(e)通过将流速f相加，定时测算通过所述设定点的混合气的累积量；
(f)通过测定各气体组分的累积量与通过所述设定点的混合气的累积量之比，定时测算累积混合气中各气体组分的浓度；
(g)定时以减少各气体组分的测算组成与选定组成之间差异的方式调节流经所述管道的一种或多种气体组分的流速。
14．一种向下游用途输送一定量的具有选定组成的混合气的系统，它包括：
(a)混合气管道装置，该装置具有入口和出口，并在所述的入口和出口之间具有累计气体体积测定装置和混合气分析装置；
(b)多条气体组分供气管道装置，它们各自具有流量调节装置，而且各自与所述的混合气管道装置的入口流通；
(c)用于测定累积混合气的组成的系统控制装置，所依据的是累计气体流量测定值和对混合气的定时分析值；
(d)响应于气体分析读数，将来自所述气体分析装置的信号传递至所述系统控制装置的装置；
(e)响应于累计气体体积测定值，将来自所述累计气体体积测量装置的信号传递至系统调控装置的装置；
(f)响应于累积混合气的组成测定值，将来自所述系统控制装置的流量调节信号传递至一个或多个所述流量调节装置的装置。
15．根据权利要求14所述的系统，其特征在于它还包括位于所述混合气分析装置上游的气体混合装置。
16．根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述的下游用途是气体容器充装系统。
17．根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述的混合气分析装置是红外分析仪或质谱仪。
18．根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述的流量调节装置是可调通孔、调速压缩机、阀门-固定通孔组合件或与蒸发器联用的调速流体泵。
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